서강대학교 “지속가능 플라스틱 연구실” (박제영 교수)

연구실 개요

지속가능 플라스틱 연구실 (Sustainable Plastics Lab)에서는 현시대에 당면한 중요한 사회문제인 기후위기 해소 및 탄소중립 시대에 기여하고, 폐플라스틱 문제 해결을 위해 화학공학적 관점에서 지속가능 플라스틱 연구를 진행하고 있다. 주요 진행 연구로써 분자 구조를 설계 및 합성하고, 이를 플라스틱 제품으로 발전시키며, 더 나아가 신규 개발한 기술의 전주기적인 탄소중립 효과를 분석 진행하고 있다.

* 생분해성 플라스틱 :
생분해성 플라스틱은 가수분해와 미생물 소화작용에 의해 물과 이산화탄소로 분해되어 자연에 남지 않고 사라지는 플라스틱으로, 일반적인 비분해 플라스틱과는 달리 지속 가능한 환경을 위해 많은 관심을 받고 있다. 지속가능 플라스틱 연구실은 생분해성 플라스틱의 화학적 특성을 조사하고, 새로운 생분해성 고분자의 개발을 통해 썩지 않는 플라스틱의 근원적인 문제를 해결하고자 한다.

* 바이오매스 기반 고기능성 플라스틱 :
바이오매스 기반 고기능성 플라스틱은 동식물성 자원 및 바이오매스를 원료로 사용하며, 기존 플라스틱과 비교하여 친환경적이고 뛰어난 물성을 발현하는 생산/가공 방법을 개발하고 있다. 지속가능 플라스틱 연구실은 이러한 바이오매스 기반 고기능성 플라스틱의 새로운 소재 및 생산 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.

* 플라스틱의 재활용 가치를 높일 수 있는 업-사이클링 기술 :
폐플라스틱 문제는 전 세계적 환경 문제로 부각되고 있으며 이러한 문제를 해결하기 위해서는 플라스틱 재활용 기술이 중요하다. 지속가능 플라스틱 연구실은 업-사이클링 기술 개발을 통해 플라스틱 재활용 가치를 높이고, 지속 가능한 사회를 위한 솔루션을 제시하고 있다.

주요 연구내용 소개

1. 눅눅해지지 않는 종이 빨대 개발

기존의 종이 빨대는 비분해성 폴리에틸렌 소재로 표면을 코팅하는 것이 일반적인데 이는 성능이 좋지 못하고 미세플라스틱 문제와 재활용이 어려운 단점이 있다. 지속가능 플라스틱 연구실에서는 한국화학연구원과 공동연구를 통해 새로운 종이 빨대를 개발하였으며, 개발된 종이 빨대는 자연환경에서 완전하게 생분해되면서도 쉽게 눅눅해지지 않아 사용감이 우수한 장점을 지니고 있다.

연구팀은 폴리(부틸렌 숙시네이트) 소재와 나노셀룰로오스 소재를 사용하여 종이 빨대의 코팅 물질로 개발하였다. 나노셀룰로오스는 종이와 같은 성분이기 때문에 종이와 플라스틱을 촘촘히 붙여주는 역할을 하며, 생분해성 플라스틱이 촘촘하게 종이 빨대의 미세기공을 메우면서 단단하게 붙어, 쉽게 눅눅해지거나 탄산음료 적용 시에도 거품을 일으키지 않는다. 또한, 사용된 물질이 모두 종이와 생분해성 플라스틱이기 때문에 토양 및 해양 자연환경에서 완전하게 분해되었다.

이 연구결과는 국제적으로 저명한 학술지인 Advanced Science에 'Biodegradable, Water-resistant, Anti-fizzing, Polyester Nanocellulose Composite Paper Straws'라는 제목으로 게재되었으며, 해외 과학언론 미디어인 Advanced Science News에서도 소개되었다. 대량생산이 용이한 생분해성 플라스틱 및 나노셀룰로오스를 사용하였기 때문에 이 종이 빨대는 카페나 식당 등에서 일회용품 규제를 준수하면서도 소비자 반응이 좋은 친환경 제품으로 적용될 가능성이 높다.

2. ‘타르타르’ 소스로 튼튼한 생분해성 플라스틱 ‘요리’ 제안

지속가능 플라스틱 연구실에서는 충남대와 공동연구를 통해, 향상된 성능의 생분해성 플라스틱을 신규 합성하는 방법을 개발하였다.

일반적인 플라스틱 제조 과정은 맛있는 음식을 만드는 과정과 유사하다. 그러나 현재의 바이오 플라스틱 제조법은 물성이 매우 연약하다는 것이 문제점으로 지적되고 있다. 이에 연구팀은 생분해성 플라스틱을 강화하기 위해 ‘시즈닝(seasoning)’ 전략을 도입하였다. 이는 요리에서 아이디어를 얻은 것으로, 자연계 물질인 타르타르산(tartaric acid)와 구연산(citric acid)을 첨가하여 플라스틱의 물성을 강화하는 것이다.

연구팀은 이러한 시즈닝 방법을 활용하여 poly(butylene succinate)라고 불리는 생분해성 플라스틱에 대해 실험을 진행하였다. 이에 단량체 상태의 조성물에 타르타르산을 약 0.03% 정도만 첨가한 후, 범용의 용융축합 반응을 진행하여 고분자 필름을 제조하였다. 제조된 필름은 기존 제조 방법과 비교하여 2배 이상 신축성이 좋고, 산소 및 수분 투과도가 낮은 것으로 나타났다. 또한, 제조된 생분해성 플라스틱은 비분해성 플라스틱과 비교하여 기계적 강도 및 내가수분해성이 더 뛰어난 것으로 확인되었다. 이러한 결과는 이후 식품포장재 등 산업적으로 활용될 가능성을 보여준다.

연구 결과는 국제적으로 저명한 학술지인 ‘ACS Sustainable Chemistry & Engineering’에 ‘Toward Sustaining Bioplastics: Add a Pinch of Seasoning’이라는 제목의 논문으로 게재되었고, 그 중요성을 인정받아 하루에 1건의 논문만 선정되는 ACS Editor’s Choice 및 해외 과학언론 뉴스에 보도되었다.

3. 비닐 용도로 적합한 튼튼한 생분해성 플라스틱 소재 개발

지속가능 플라스틱 연구실에서는 경희대와 공동연구를 통해 플라스틱 폐기물 문제를 해결할 수 있는 튼튼하면서도 생분해성이 있는 플라스틱 소재를 개발하였다.

현재, 일회용 플라스틱의 대규모 사용으로 인한 환경문제가 전 세계적으로 심화되고 있으며 특히, 폐플라스틱은 공기, 토양, 해양 등을 다양한 방법으로 오염시키고 있어 이를 해결할 수 있는 기술 개발이 시급한 상황이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 PBAT(Poly(butylene adipate-co-terephthalate))과 나노셀룰로오스 천연물 소재를 활용하여 나노복합체를 제작하였다. 이 나노복합체는 PBAT가 달성할 수 있는 기계적 물성의 최고치인 71 MPa의 인장강도, 1020%의 신율을 달성할 수 있도록 제조되었다.

또한, 생분해성 플라스틱의 제조 과정에 꼭 필요한 블로운 압출 방식의 필름 제조 가공성이 기존 대비 더 뛰어나며, 찢어짐에 저항하는 물성의 척도인 인열 인성도 22% 향상되었다. 뿐만 아니라 퇴비화 조건에 완전히 생분해됨으로써 향후 성장하는 생분해성 플라스틱 시장에 적용 가능한 기술로서도 완성도를 높였다.

이 연구는 ACS Applied Polymer Materials에 ‘Enhanced Mechanical Properties of Poly(butylene adipate-co-terephthalate)/Cellulose Nanocrystal Nanocomposites Obtained by In Situ Polymerization’으로 게재되어 많은 주목을 받았으며, 중요성을 인정받아 1월호 전면 표지에 선정되었다. 또한, 이와 관련된 특허 기술은 SKC에 기술이전이 되어 상용화 단계에 있다.

연구실 현황

2022년 9월 서강대학교에서 새롭게 문을 연 지속가능 플라스틱 연구실은 박제영 교수를 비롯하여 2023년 4월 기준 박사과정 학생 1명, 통합과정 학생 2명, 석사과정 진학예정 연구원 3명으로 총 6명의 실원으로 구성되어 있다. 박제영 교수가 교신저자로 참여한 논문은 한국화학연구원에서 SCI급 논문 60여 건, 등록 특허 50여 건, 기술이전 4건의 실적을 쌓았고, 서강대학교에서 현재 SCI급 논문 8건, 특허출원 1건이 완료되었다. 본 연구실은 지속가능한 플라스틱의 화학공학적 연구개발을 통해 사회문제의 해결뿐만 아니라 학문적 수월성을 동시에 성취하는 연구실로 힘차게 나아가고 있다.